JPH0636790A

JPH0636790A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPH0636790A
Application number: JP4185173A
Authority: JP
Inventors: Yuji Nagata; 裕二永田; Seishi Suzuki; 聖之鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-07-13
Filing date: 1992-07-13
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料電池発電プラントの停止過程において、
燃料改質系の過度の温度偏差を生ずることなく燃料改質
系を高温に保持して再起動を容易にする。【構成】プラント停止過程で燃料改質系４の各機器温
度検出器２２、２３、２４、２５の温度検出値に基づい
てそれらの温度差が過大とならないように循環ブロア１
２を断続的に運転する。または、キックバックライン３
１等により、プラント停止時の循環ガス流量を減少す
る。または、ライン５１、５２と三方弁５３により凝縮
器７入口の高温ガスと凝縮器７出口の低温ガスを合流し
て循環ブロア１２に導き、それぞれのガス流量を循環ブ
ロア１２入口温度に基づいて調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池およびこの燃
料電池に供給する燃料ガスを生成するための燃料改質系
等とを備えてなる燃料電池発電プラント（以下、ＦＣプ
ラントと称す。）に係り、特にプラント起動時の燃料改
質系の昇温を速やかに行うことができるＦＣプラントに
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料が保有する化学エネルギーを直接電
気エネルギーに変換するＦＣプラントは、高効率、無公
害、低騒音な都市型分散電源としてその実用化が強く期
待されている。そして、この種のＦＣプラントでは、そ
の発電規模が比較的小規模である点から、夜間あるいは
週末の発電需要が少ない時間帯においてはプラントを停
止し、需要が増加する昼間や週始めには再びこれを起動
する運転パターンが要求されている。

【０００３】このようなＦＣプラントとしては、例えば
図１１に示すように、燃料極１と酸化剤極２にそれぞれ
水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを導入し、その
電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池
３と、この燃料電池３に供給するための燃料ガスを炭化
水素系のメタン等の原燃料ガスから生成する燃料改質系
４とを備えたものがある。一般にこの燃料改質系４は、
炭化水素系のメタン等の原燃料ガスを触媒の存在下で水
蒸気により水素リッチなガスに改質する改質器５と、改
質されたガス中の一酸化炭素を炭酸ガスに変換するとと
もに水素濃度のより高い改質ガスに変成する変成器６
と、この変成器６によって変成された改質ガス中の水分
を除去する凝縮器７とを備え、改質器５の入口配管に原
燃料ガスを供給するための原料ガス供給装置８と、水蒸
気を供給するための水蒸気供給装置９が接続されてい
る。さらに、改質器５と変成器６の間には熱交換器１０
が設置され、変成器６に導入されるガスの温度が適切な
レベルとなるように調整されている。

【０００４】また、燃料改質系４には、凝縮器７出口配
管から分岐して改質器５入口配管に接続するガス循環ラ
イン１１が設けられ、このガス循環ライン１１に循環ブ
ロア１２が設置されている。また、ガス循環ライン１１
には窒素等の不活性ガスからなる循環ガスを供給するた
めの循環ガス供給ライン１３が接続されている。

【０００５】このようなプラント構成においては、プラ
ントの起動時には、原燃料ガスの供給弁１４、水蒸気の
供給弁１５および燃料電池３への燃料供給弁１６を閉じ
たまま、循環ガスを循環ガス供給ライン１３より燃料改
質系４に供給し、循環ブロア１２により封入した循環ガ
スを循環させつつ改質器５の加熱用バーナ１７を燃焼し
て、この燃焼熱を循環ガスに与えることで、上述した一
連の燃料改質系４の機器を次第に加熱し、昇温する。こ
のようにして、改質器５、変成器６、および熱交換器１
０が改質反応に適切な温度レベルまで昇温された後、は
じめて原燃料ガスおよび水蒸気がそれぞれの供給弁１
４、１５を介して供給され、改質が開始される。

【０００６】一方、プラントの停止時には、改質器５の
加熱用バーナ１７を消火して改質を停止した後、燃料改
質系４に残留する改質ガスを循環ガスで置換した上、循
環ブロア１２を運転させつつ燃料改質系４の循環冷却を
行う。このようなプラントの停止時の燃料改質系４の降
温操作は、プラント停止過程などにおいて循環ブロア１
２を停止した状態である一定時間以上放置すると、各部
分の温度降下速度の相違に起因して各機器の温度差など
が大きくなり過ぎ、これによって熱ショック発生の観点
から起動のために再び循環ブロア１２を起動することが
できなくなるため、これらの温度の過大偏差を回避する
ために行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来例においては、一般にＦＣプラントの改質器や
変成器などの反応器の容量が大きいため、プラントの起
動時に各機器の温度が適切なレベルになるまで昇温する
のに６〜８時間と相当の時間がかかるのが通例であり、
これを短縮化することが強く求められている。

【０００８】特に、週間スケジュールあるいは昼夜で起
動停止を繰り返すことが要求される中間負荷需要対応用
の発電所として燃料電池発電プラントを適用する場合、
短時間の起動は不可欠のものである。

【０００９】燃料改質系４の昇温時間を短縮する一つの
手段としては、例えば図１１において、昇温時の加熱源
である改質器５のバーナ１７の燃焼量を増加させること
があるが、この場合改質器５の温度が過大になり、改質
器５および触媒の破損を招くという問題があるため限界
があり、大きな昇温時間の短縮に結びつかない。

【００１０】一方、燃料電池発電プラントの停止に伴う
燃料改質系４の降温時においては、上記した様に、週間
スケジュールや昼夜で起動停止を繰り返すことが要求さ
れる中間負荷需要対応用の発電所として燃料電池発電プ
ラントを適用する場合には、必ずしもプラントを十分降
温する必要はなく、むしろ再起動（暖起動）時間の短縮
のためにプラントを高温状態にて保持し得ることも必要
となる。しかし、図１１に示す従来技術では、循環ブロ
アを運転することによるガスの流れに伴い熱交換器１０
や凝縮器７から系外に熱エネルギーが流出してしまい、
再起動のためのプラントの高温保持は成し得ない。

【００１１】以上のように、従来のＦＣプラントにおい
ては、停止時に燃料改質系の各機器の温度偏差をある程
度均一に保とうとすると、系外への熱流出が多くなり、
これに伴うプラントの温度低下のために再起動時に多く
の時間と多くの昇温用燃料を必要とする問題があった。

【００１２】本発明は、上述の様な問題点を解決するた
めになされたもので、ＦＣプラントの停止過程におい
て、燃料改質系の各部分、各機器間の温度偏差の過大発
生を回避しつつも系外への熱流出を極力抑制し、これに
よって迅速な再起動と再起動時のための燃料必要量の削
減を果たすＦＣプラントを提供することを目的とする。
さらに本発明は、冷起動時の燃料改質系の昇温時間も短
縮することができるＦＣプラントを提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ燃
料極および酸化剤極に導入し、このとき生じる電気化学
反応により電気エネルギーを発生する燃料電池と、原燃
料ガスを改質変成する改質器および変成器を備え原燃料
ガスから燃料ガスを生成する燃料改質系と、この燃料改
質系に循環ガスを循環させるためのガス循環ラインおよ
び循環ブロアとを具備する燃料電池発電プラントにおい
て、プラントの起動過程と停止過程とで燃料改質系の循
環ガスの流量を変更するためのガス流量変更手段を備え
たことを特徴とする（以下、第１の発明という。）。

【００１４】このガス流量変更手段としては、循環ブロ
アをプラントの停止過程で断続的に運転させるものも含
まれる。この循環ブロアは、例えば燃料改質系を構成す
る各機器の温度検出値の差が所定値以上のとき運転さ
れ、所定値以下のときは停止されることにより、あるい
は予め設定されたタイミングで運転・停止が実行される
ことにより、断続的に運転される。

【００１５】また、ガス流量変更手段として、例えば循
環ブロアの出口ガスを循環ブロアの上流側ラインにオン
オフ弁あるいは調節弁を介して戻すキックバックライ
ン、またはプラントの起動過程と停止過程とでは運転台
数が異なる複数台の循環ブロア、あるいは循環ブロアの
回転数を変化させる手段のいずれかを設け、循環ガス流
量を起動時は大流量にし、停止時は小流量にすることが
できる。

【００１６】さらに、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤
ガスをそれぞれ燃料極および酸化剤極に導入し、このと
き生じる電気化学反応により電気エネルギーを発生する
燃料電池と、原燃料ガスを改質する改質器、改質された
ガスを変成する変成器、および改質変成されたガス中の
水分を除去する凝縮器とを備え原燃料ガスから燃料ガス
を生成する燃料改質系と、この燃料改質系に循環ガスを
循環させるためのガス循環ラインおよび循環ブロアとを
具備する燃料電池発電プラントにおいて、ガス循環ライ
ンが、凝縮器のガス入口側配管から分岐され循環ブロア
の吸入側に接続される第１のラインと、凝縮器のガス出
口側配管から分岐され循環ブロアの吸入側に接続される
第２のラインと、循環ガスの温度を検出する少なくとも
１つの温度検出手段と、プラントの起動過程および停止
過程で温度検出手段に基づき、第１のラインと第２のラ
インを流れるガス流量を調節するガス流量調節手段とを
有することを特徴とする（以下、第２の発明とい
う。）。

【００１７】このガス流量調節手段として、例えば循環
ブロア吸入側に接続される第１のラインと第２のライン
の合流点に、循環ガスの温度検出手段に基づいて開度が
制御される３方弁を設けたり、または第１のラインと第
２のラインの少なくとも一方に、循環ガスの温度検出手
段に基づいて開度制御される調節弁もしくは開閉制御さ
れるオンオフ弁を設けたりすることができる。

【００１８】循環ガスの温度検出手段としては、例えば
循環ブロアの入口温度検出器もしくは出口温度検出器を
用いることができる。

【００１９】

【作用】第１の発明にかかるＦＣプラントにおいては、
プラント起動時の燃料改質系昇温過程に対しては、従来
と同様の循環ガス流量を確保することで改質系内部のエ
ネルギー伝搬が良好に維持され、これにより燃料改質系
の昇温が迅速に行われる。一方停止時には、各機器間の
温度差が過度に大きくならない程度に循環流量を減じた
り循環ブロアを断続的に運転することにより、機器への
熱ショックを防止すると同時に停止過程における系外へ
の熱流出が低減され、これにより燃料改質系の温度低下
が抑制される。このため、再起動時の燃料改質系の昇温
を容易にして、昇温時間の短縮および昇温に要する燃料
の節約を図ることができる。

【００２０】なお、キックバックラインを設けた構成で
は、プラント停止時にキックバックライン上の弁の開度
を大、または全開し、起動時にはキックバックライン上
の弁の開度を小、または全閉とすることにより、循環ガ
ス流量を起動時は大流量に停止時は小流量にすることが
できる。

【００２１】また、複数台の循環ブロアを設置した構成
においても、起動時には全部の循環ブロアを運転し、停
止時には一部の循環ブロアを運転することにより、同様
な循環ガス流量の変更を行うことができる。

【００２２】さらにまた、循環ブロアの回転数を変化さ
せる手段を設けた構成においても、起動時にはブロアの
回転数を上げ、停止時には回転数を下げることにより、
前述と同様に作用する。

【００２３】第２の発明にかかるＦＣプラントにおいて
は、プラント起動に伴う燃料改質系の昇温過程では、改
質器バーナの熱エネルギーにより高温に加熱された循環
ガスは、変成器や熱交換器などに熱を与えた後、凝縮器
のガス入口側ラインより分岐され循環ブロアの吸入側に
接続される第１のラインと、凝縮器のガス出口側ライン
より分岐され循環ブロアの吸入側に接続される第２のラ
インを介し、循環ブロアに供給され、再び循環ブロアを
介して改質器で加熱される。この時、一般に凝縮器は低
温の凝縮温度に保持されているので、第１のラインを流
れるガスは高温ガス、第２のラインを流れるガスは低温
ガスとなる。

【００２４】ここで、循環ガスの代表温度、例えば循環
ブロア入口温度をある目標設定値に制御するよう、第１
のラインを流れるガス流量と第２のラインを流れるガス
流量の調節が行われる。すなわち、循環ブロアの入口温
度が目標設定値以下なら、第１のラインを流れる高温ガ
スは増加、第２のラインを流れる低温ガスは減少するよ
う調節され、逆に循環ブロア入口温度が目標設定値以上
なら、第１のラインを流れる高温ガスは減少、第２のラ
インを流れる低温ガスは増加するよう調節される。これ
により、循環ガス中の熱を無駄に凝縮器にて捨てること
がなくなり、改質器バーナの燃焼により得られた熱量が
効率よく他の機器に与えるられるため、燃料改質系の昇
温が速やかに行われる。

【００２５】一方、プラント停止に伴う燃料改質系降温
時では、例えば、再起動（暖起動）のための上記循環ブ
ロア入口温度の目標値が設定されると、循環ブロア入口
温度をその目標設定値に制御するよう、第１のラインを
流れるガス流量と第２のラインを流れるガス流量が調節
される。ここで、前述したように、一般に凝縮器は低温
の凝縮温度に保持されているので、プラント運転時、例
えば発電運転時においては凝縮器のガス入口側では約２
００℃の高温ガス、凝縮器のガス出口側では低温の凝縮
温度のガスとなる。したがって、循環ブロア入口温度が
目標設定値以下なら第１のラインを流れる高温ガスは増
加、第２のラインを流れる低温ガスは減少するように調
節され、逆に循環ブロア入口温度が目標設定値以上なら
第１のラインを流れる高温ガスは減少、第２のラインを
流れる低温ガスは増加するよう調節される。これによ
り、燃料改質系のガス循環停止に伴う機器の温度分布の
アンバランスからくる熱ショックにより一定時間は再起
動ができないといった問題を回避すると同時に、再起動
のためのプラントの高温保持が可能となるため、燃料改
質系の再起動が容易となり、再起動時の昇温時間の短縮
と昇温に要する燃料の節約を図ることができる。

【００２６】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。なお、従来例と共通する部分には同一符号
を付し、その詳細な説明は省略する。

【００２７】実施例１図１は、第１の発明のＦＣプラントの一実施例を示すも
ので、循環ブロア１２にオンオフ指令ａを出力するブロ
ア制御器２１が設けられている。このブロア制御器２１
は、改質器５、熱交換器１０、変成器６、凝縮器７にそ
れぞれ設置されている改質器温度検出器２２、熱交換器
温度検出器２３、変成器温度検出器２４、凝縮器温度検
出器２５の各検出値Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃、Ｔ₄を入力し、
改質器温度Ｔ₁と熱交換器温度Ｔ₂との温度偏差ｂおよ
び変成器温度Ｔ₃と凝縮器温度Ｔ₄との温度偏差ｃに基
づいてそれぞれブロアのオンオフ指令ｄ、ｅを出力する
関数発生器２６、２７により、プラント停止時で信号ｄ
とｅの両方あるいはいずれかがオン指令であれば循環ブ
ロア１２を運転するオン指令を、それ以外は停止のオフ
指令を出力する構成となっている。なお、関数発生器２
６、２７は温度偏差が設定値以上になるとオン指令、設
定値以下になるとオフ指令の信号を発生する関数発生器
である。それぞれの設定値は、再起動時に問題とならな
いような機器間の温度偏差の許容値に基づいて予め決め
られる。

【００２８】次に、上記構成のブロア制御器を有するＦ
Ｃプラントの作用を図２を用いて説明する。図２は、改
質器温度Ｔ₁とその下流の熱交換器温度Ｔ₂のプラント
停止時の温度特性について、従来例と比較して示したも
のである。この図において、実線は本実施例の、破線は
従来例のプラント停止時の温度変化特性を示している。
従来例では、プラント停止の時刻ｔ₀で循環ブロア１２
が運転されるため、破線で示すように、改質器温度Ｔ₁
と熱交換器温度Ｔ₂は両者とも比較的早く低下してい
る。

【００２９】これに対し、本実施例では、実線で示すよ
うに、プラント停止後改質器温度Ｔ₁と熱交換器温度Ｔ
₂との温度偏差ｂと変成器温度Ｔ₃と凝縮器温度Ｔ₄と
の温度偏差ｃのいずれかが設定値以上となるまでは、し
ばらく循環ブロア１２は動作せず、これによってこれら
Ｔ₁、Ｔ₂の温度低下が抑制される。そして、熱容量が
小さい熱交換器５の温度Ｔ₂が改質器温度Ｔ₁より早く
低下し、Ｔ₁とＴ₂の温度偏差ｂが拡大してくるが、時
刻ｔ₁にてＴ₁とＴ₂の温度偏差ｂ、Ｔ₃とＴ₄の温度
偏差ｃのいずれかが設定値以上になると循環ブロア１２
がオンするため、これによって温度偏差が抑制され、時
刻ｔ₂には再び循環ブロア１２が停止するような動作が
行われる。プラント停止後、このような循環ブロア１２
の動作が数度繰り返されることにより、Ｔ₁とＴ₂の温
度偏差ｂもＴ₃とＴ₄の温度偏差ｃもともに設定値以上
となることなく、従来例よりも燃料改質系４の各機器の
温度低下速度を小さくすることができ、燃料改質系４は
比較的高温に保持される。

【００３０】上記したように、本実施例によれば、プラ
ント停止時に燃料改質系４から流出する熱エネルギーを
従来より少なくでき、かつ再起動時に問題となる機器間
の温度偏差も許容値以内に維持することができるため、
プラント停止に伴う熱ロスを低減し、より迅速な再起動
をより少ない起動燃料にて行うことが可能となる。

【００３１】なお、上記実施例では、各機器の温度検出
値に基づいて循環ブロア１２のオンオフ指令を出力する
ブロア制御器を用いたが、プラント停止過程で温度偏差
が所定値以上とならないような循環ブロア１２をオンオ
フするタイミングを予め求めておいて、時間で循環ブロ
ア１２をオンオフするようにしてもよい。この場合に
は、簡単な構成で上記実施例と同様な効果を得ることが
できる。

【００３２】実施例２図３は、第１の発明のＦＣプラントの他の実施例を示す
もので、従来例と異なる点は、循環ブロア１２に対し
て、循環ブロア１２の下流側ラインから分岐して循環ブ
ロア１２の上流側ラインに逆流するキックバックライン
３１を設けたことである。このキックバックライン３１
上には、オンオフ弁３２が設置され、このオンオフ弁３
２には、起動過程においては閉信号の、プラント停止過
程には開信号の弁開閉指令ｆが与えられる構成となって
いる。

【００３３】上記構成においては、起動過程ではオンオ
フ弁３２は閉動作するため、従来例と変わらないガス流
量で循環される。一方、プラント停止過程ではオンオフ
弁３２は開動作するため、循環ブロア１２から送り出さ
れた循環ガスは一部キックバックライン３１を経て循環
ブロア１２の上流側ラインに戻されることにより、燃料
改質系４を循環するガス流量が弱められる。

【００３４】次に、上記構成のＦＣプラントの作用を図
４を用いて説明する。図４は、改質器温度Ｔ₁とその下
流の熱交換器温度Ｔ₂のプラント停止時の温度特性につ
いて、従来例と比較して示したものである。図におい
て、実線は本実施例の、破線は従来例のプラント停止時
の温度変化特性を示している。従来例では、破線で示す
ように、時刻ｔ₀でのプラント停止によって、改質器温
度Ｔ₁と熱交換器温度Ｔ₂は比較的早く低下している。

【００３５】これに対し、本実施例では、停止過程にお
いて従来より循環流量が少なくなるため、過度の温度不
均一を防ぎつつも熱交換器１０や凝縮器７から系外に流
出する熱エネルギーが低減され、図中実線で示すよう
に、Ｔ₁、Ｔ₂の温度低下が抑制される。

【００３６】上記したように、本実施例によれば、プラ
ントの起動過程においては従来と同様に燃料改質系内の
エネルギー伝搬を良好に保つことで速やかな昇温を実現
することができ、一方停止過程に対しては系外に流出す
る熱エネルギーを少なくして、燃料改質系の温度低下を
抑制することが可能となり、より迅速な再起動をより少
ない起動用燃料量にて行うことが可能となる。

【００３７】実施例３図５は、第１の発明のＦＣプラントのさらに他の実施例
を示すもので、燃料改質系の循環手段として２つの循環
ブロア１２ａ、１２ｂが設置されている。これら循環ブ
ロア１２ａ、１２ｂに対しては、起動過程ではともに運
転し、停止過程ではいずれか一方のみ運転するオンオフ
指令ａ₁、ａ₂が与えられる。

【００３８】上記構成においては、プラント起動時に
は、２台の循環ブロア１２ａ、１２ｂが運転されること
によって循環流量が大となり、迅速な昇温が可能とな
る。また、停止過程では、１台のみ運転されることで循
環流量が低流量になり、ゆっくりした降温操作が可能と
なる。これにより、停止に伴う熱ロスが低減され、より
少ない燃料消費で迅速なプラント再起動が可能となる。

【００３９】実施例４図６は、第１の発明のＦＣプラントのさらに他の実施例
を示したもので、循環ブロア１２の駆動装置としてイン
バータ４１が設けられており、このインバータ４１によ
って循環ブロア１２の回転数が、起動時には循環流量が
大流量に、停止時には小流量になるよう制御される構成
となっている。

【００４０】上記構成においても、停止過程における燃
料改質系の温度降下を抑制し、熱ロスを低減することか
ら、迅速でかつより少ない起動燃料でのプラント再起動
が可能となる。

【００４１】実施例５図７は、第２の発明のＦＣプラントの一実施例を示すも
のである。本実施例では、凝縮器７の前段より分岐され
た第１のライン５１と、凝縮器７の後段より分岐された
第２のライン５２が３方弁５３により合流し、この合流
ガスが、循環ブロア１２の吸入側に供給される。そし
て、３方弁５３への開度指令ｇ、すなわち第１のライン
５１と第２のライン５２を流れるガス流量の分配は、温
度検出器５４の検出値である循環ブロア入口温度検出値
Ｔ₅とその温度設定値ｈとの温度偏差ｉに基づき調節器
５５により決定される構成となっている。

【００４２】次に、上記構成のＦＣプラントの作用を説
明する。

【００４３】例えば、プラント起動に伴う燃料改質系の
昇温時において、循環ブロア入口温度設定値ｈが与えら
れると、調節器５５は循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅と
循環ブロア入口温度設定値ｈとを比較し、循環ブロア入
口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア入口温度設定値ｈより低
い時は第１のライン５１の高温ガスを増加、第２のライ
ン５２の低温ガスを減少させ、また、逆に、循環ブロア
入口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア入口温度設定値ｈより
高い時は第１のライン５１の高温ガスを減少、第２のラ
イン５２の低温ガスを増加させるよう作用する。

【００４４】一方、プラント停止に伴う燃料改質系の降
温時においても同様に、例えば、再起動のためのプラン
ト高温保持が要求されると、これに見合った循環ブロア
入口温度設定値ｈが与えられ、調節器５５は循環ブロア
入口温度検出値Ｔ₅と循環ブロア入口温度設定値ｈとを
比較し、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア入
口温度設定値ｈより低い時は第１のライン５１の高温ガ
スを増加、第２のライン５２の低温ガスを減少させ、ま
た、逆に、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア
入口温度設定値ｈより高い時は第１のライン５１の高温
ガスを減少、第２のライン５２の低温ガスを増加させる
よう作用する。

【００４５】このように本実施例では、燃料改質系の昇
温時において、循環ガス中の熱エネルギーを無駄に凝縮
器７にて捨てることがないため、改質器バーナ１７の燃
焼により得られた熱量を効率よく他の機器に与えること
が可能となり、よって燃料改質系の昇温が速やかに行わ
れる。

【００４６】また、燃料改質系降温時においても同様の
理由で、再起動のためのプラントの高温保持が可能とな
り、よって、燃料改質系の再起動時の昇温が速やかに行
われる。また、改質系の循環停止に伴う機器の温度分布
のアンバランスによる再起動時の熱疲労もなく、機器を
損傷する恐れも回避される。

【００４７】なお、循環ブロア入口温度設定値ｈは、固
定値でなくても時間などを関数とした可変値にすること
もできる。可変値した場合は、例えば燃料改質系の昇温
時において、温度設定値ｈが徐々に高くなるよう設定す
ることにより、第１のライン５１の高温ガスがいきなり
流入することによる循環ブロア１２の熱疲労を少なくす
ることができる。

【００４８】実施例６図８は、第２の発明のＦＣプラントの他の実施例を示す
もので、本実施例では図７に示す実施例の３方弁５３の
代わりに、凝縮器７の前段より分岐された第１のライン
５１上に調節弁６１、また凝縮器７の後段より分岐され
た第２のライン５２上に調節弁６２が配置されている。
第１のライン上の調節弁６１への開度指令ｊは、温度検
出器５４の検出値である循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅
と循環ブロア入口温度設定値ｈとの温度偏差ｉに基づき
調節器６３により決定される。また、第２のライン上の
調節弁６２への開度指令ｋは、温度検出器５４の検出値
である循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅と循環ブロア入口
温度設定値ｈとの温度偏差ｉに基づき調節器６４により
決定される構成である。

【００４９】このような構成においても、実施例５と同
様の作用、効果を得ることができる。

【００５０】実施例７図９は、第２の発明のＦＣプラントのさらに他の実施例
を示すもので、図８に示す実施例６の第２のライン上の
調節弁６２の代わりに、第２のライン５２上にオンオフ
弁７１を配置したものである。

【００５１】第１のライン上の調節弁６１への開度指令
ｊは、実施例６と同様に、温度検出器５４の検出値であ
る循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅と循環ブロア入口温度
設定値ｈとの温度偏差ｉに基づき調節器６３により決定
される。また、第２のライン上のオンオフ弁７１への開
／閉指令ｌは、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅に基づき
関数発生器７２により与えられる。この関数発生器７２
は、例えば、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅が、ある温
度以上（図中Ｔ₀）で開、それ以下なら閉信号を出力す
るような関数発生器である。すなわち、本実施例では、
循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅がある温度以上で第２の
ライン上のオンオフ弁７１が開状態のとき、第１のライ
ン上の調節弁６１にて循環ブロア入口温度が常時適切に
制御される構成となっている。第２のライン上のオンオ
フ弁７１は、循環ブロア入口温度に対して保護インター
ロック的な動作をする。

【００５２】次に、上記構成のＦＣプラントの作用を説
明する。

【００５３】例えば、プラント起動に伴う燃料改質系の
昇温時において、循環ブロア入口温度設定値ｈが与えら
れると、調節器６３は循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅と
前記循環ブロア入口温度設定値ｈとを比較し、開度指令
ｊを第１のライン上の調節弁６１に与える。すなわち、
循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア入口温度設
定値ｈより低い時は、第１のライン上のガス調節弁６１
に開指令を与えて第１のライン５１の高温ガスを増加
し、逆に循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア入
口温度設定値ｈより高い時は、閉指令を与えて第１のラ
イン５１の高温ガスを減少させるよう作用する。また、
関数発生器７２は、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅があ
る温度Ｔ₀に上昇するまでは第２のライン上のオンオフ
弁７１に閉指令を出力して低温ガスの循環ブロア１２へ
の流入を止め、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅がＴ₀以
上になったとき、オンオフ弁７１に対し開指令を与える
ことで低温の第２のライン５２のガスを流すよう作用す
る。

【００５４】一方、プラント停止に伴う燃料改質系の降
温時においても同様に、例えば、再起動のためのプラン
ト高温保持が要求されると、これに見合った循環ブロア
入口温度設定値ｈが与えられ、調節器６３は循環ブロア
入口温度検出値Ｔ₅と循環ブロア入口温度設定値ｈとを
比較し、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア入
口温度設定値ｈより低い時は、第１のライン上の調節弁
６１に開指令を与えて第１のライン５１の高温ガスを増
加、逆に循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅が循環ブロア入
口温度設定値ｈより高い時は、閉指令を与えて第１のラ
イン５１の高温ガスを減少させるよう作用する。また、
関数発生器７２は、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅があ
る温度Ｔ₀以下になるまでは、第２のライン上のオンオ
フ弁７１に対し開指令を与え、低温の第２のライン５２
のガスを流すよう作用する。

【００５５】このように本実施例では、実施例５、６と
同様、燃料改質系４の昇温時において、循環ガス中の熱
を無駄に凝縮器７にて捨てることがないため、改質器バ
ーナ１７の燃焼により得られた熱量を効率よく他の機器
に与えることが可能となり、よって、燃料改質系の昇温
が速やかに行われる。

【００５６】また、燃料改質系降温時においても同様の
理由で、再起動のためのプラントの高温保持が可能とな
り、よって、燃料改質系の再起動時の昇温が速やかに行
われる。また、改質系の循環停止に伴う機器の温度分布
のアンバランスによる再起動時の熱疲労もなく、機器を
損傷する恐れも回避される。

【００５７】なお、本実施例では、第１のライン上に調
節弁、第２のライン上にオンオフ弁を配置しているが、
第１のライン上にオンオフ弁、第２のライン上に調節弁
を配置してもよい。

【００５８】実施例８図１０は、第２の発明のＦＣプラントのさらに他の実施
例を示すもので、図９に示す実施例７の第１のライン上
の調節弁６１の代わりに、オンオフ弁８１を配置して
る。

【００５９】このオンオフ弁８１への開／閉指令ｍは、
温度検出器５４の検出値である循環ブロア入口温度検出
値Ｔ₅に基づき、関数発生器８２により与えられ、また
第２のライン上のオンオフ弁７１への開／閉指令ｌは、
温度検出器５４の検出値である循環ブロア入口温度検出
値Ｔ₅に基づき、関数発生器８３により与えられる。第
１のライン上のオンオフ弁８１に対する関数発生器８２
は、例えば循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅がある温度以
上（図中Ｔ₁）で開、それ以下なら閉信号を出力するよ
うな関数発生器であり、また第２のライン上のオンオフ
弁７１に対する関数発生器８３は、例えば循環ブロア入
口温度検出値Ｔ₅がある温度以下（図中Ｔ₂）で開、そ
れ以上なら閉信号を出力するような関数発生器である。
ここで、Ｔ₁≦Ｔ₂である。すなわち、本実施例では、
第１のライン上のオンオフ弁８１および第２のライン上
のオンオフ弁７１を、循環ブロア入口温度に対して保護
インターロック的に動作させている。

【００６０】次に、上記構成のＦＣプラントの作用を説
明する。

【００６１】例えば、プラント起動に伴う燃料改質系の
昇温時において、関数発生器８２は、循環ブロア入口温
度検出値Ｔ₅がある温度Ｔ₁以上になった場合に、第１
のライン上のオンオフ弁８１に対し開指令を与えること
で高温の第１のライン５１のガスを流すよう作用し、逆
に循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅がある温度Ｔ₁以下に
なった場合は、オンオフ弁８１に対し閉指令を与えて高
温の第１のライン５１のガスを止めるよう作用する。ま
た、関数発生器８３は、循環ブロア入口温度検出値Ｔ₅
がある温度Ｔ₂以下では、第２のライン上のオンオフ弁
７１に対し開指令を与えることで低温の第２のライン５
２のガスを流すよう作用し、逆に循環ブロア入口温度検
出値Ｔ₅がある温度Ｔ₂以上になった場合は、オンオフ
弁７１に対し閉指令を与えて低温の第２のライン５２の
ガスを止めるよう作用する。なお、プラント停止に伴う
燃料改質系の降温時においても同様の作用がある。

【００６２】つまり燃料改質系の昇温、および降温時に
おいて、循環ブロア１２の入口温度が高い時には、高温
の第１のラインのガスを多く流すことにより、大きな温
度差のあるガスが流入することによる循環ブロア１２の
疲労を抑制するとともに、速やかな昇温と、プラント再
起動のための高温保持を実現することができる。また、
逆に循環ブロア１２の入口温度が低い時には、低温の第
２のラインのガスを多く流すことにより、温度差の大き
い高温ガスが流入するのを防いで循環ブロア１２の疲労
を抑制することができる。

【００６３】なお、以上説明した実施例５〜８おいて、
循環ブロア入口温度の代わりに、循環ブロア出口温度を
用いて、第１のライン５１のガス流量と第２のライン５
２のガス流量を調節することも可能である。

【００６４】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、プラント停止時のガス循環流量を起動時と
比較して小さくすることにより、プラント起動時の昇温
は速やかに行うことができ、またプラント停止時の降温
は燃料改質系における過度の温度不均一を生ずることな
く緩やかにすることができるため、燃料改質系が比較的
高温に保持され、これによりＦＣプラントの短時間で経
済的な再起動が可能となる。

【００６５】さらにまた、プラント起動時の昇温過程お
よび停止時の降温過程において、燃料改質系から循環ブ
ロアに導かれる循環ガスを凝縮器入口からの高温ガスと
凝縮器出口からの低温ガスで構成し、それぞれのガス流
量を循環ガスの代表温度、例えば循環ブロア入口温度に
基づいて調節することにより、プラント起動時の燃料改
質系の速やかな昇温が可能となるとともに、プラント停
止時の燃料改質系の高温保持が可能となることによって
再起動時の燃料改質系の昇温時間の短縮を図ることがで
き、もってＦＣプラントの短時間で経済的な起動および
再起動が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す構成図である。

【図２】本発明の実施例１の作用を説明する図である。

【図３】本発明の実施例２を示す構成図である。

【図４】本発明の実施例２の作用効果を説明する図であ
る。

【図５】本発明の実施例３を示す構成図である。

【図６】本発明の実施例４を示す構成図である。

【図７】本発明の実施例５を示す構成図である。

【図８】本発明の実施例６を示す構成図である。

【図９】本発明の実施例７を示す構成図である。

【図１０】本発明の実施例８を示す構成図である。

【図１１】ＦＣプラントの従来例を示す構成図である。

【符号の説明】

３………燃料電池４………燃料改質系５………改質器６………変成器７………凝縮器８………原燃料ガス供給装置９………水蒸気供給装置１０………熱交換器１１………ガス循環ライン１２………循環ブロア１３………循環ガス供給ライン１７………バーナ２１………ブロア制御器２２………改質器温度検出器２３………熱交換器温度検出器２４………変成器温度検出器２５………凝縮器温度検出器２６………関数発生器２７………関数発生器３１………キックバックライン３２………オンオフ弁４１………インバータ５１………第１のライン５２………第２のライン５３………三方弁５４………温度検出器５５………調節器６３………調節器６４………調節器７２………関数発生器８２………関数発生器８３………関数発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ燃
料極および酸化剤極に導入し、このとき生じる電気化学
反応により電気エネルギーを発生する燃料電池と、原燃
料ガスを改質変成する改質器および変成器を備え前記原
燃料ガスから前記燃料ガスを生成する燃料改質系と、こ
の燃料改質系に循環ガスを循環させるためのガス循環ラ
インおよび循環ブロアとを具備する燃料電池発電プラン
トにおいて、プラントの起動過程と停止過程とで前記燃料改質系の循
環ガスの流量を変更するためのガス流量変更手段を備え
たことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池発電プラントに
おいて、前記ガス流量変更手段は、前記循環ブロアをプラントの
停止過程で断続的に運転させることを特徴とする燃料電
池発電プラント。
【請求項３】請求項１記載の燃料電池発電プラントに
おいて、前記ガス流量変更手段が、前記循環ブロアの下流側ライ
ンから循環ガスを分流して循環ブロアの上流側ラインに
戻すキックバックラインと、このキックバックラインに
介挿されるオンオフ弁あるいは調節弁とからなることを
特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項４】請求項１記載の燃料電池発電プラントに
おいて、前記ガス流量変更手段が、プラントの起動過程と停止過
程とでは運転台数が異なる複数台の循環ブロアであるこ
とを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項５】請求項１記載の燃料電池発電プラントに
おいて、前記ガス流量変更手段が、前記循環ブロアの回転数を変
化させる手段であることを特徴とする燃料電池発電プラ
ント。
【請求項６】燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ燃
料極および酸化剤極に導入し、このとき生じる電気化学
反応により電気エネルギーを発生する燃料電池と、原燃
料ガスを改質する改質器、改質されたガスを変成する変
成器、および改質変成されたガス中の水分を除去する凝
縮器とを備え原燃料ガスから前記燃料ガスを生成する燃
料改質系と、この燃料改質系に循環ガスを循環させるた
めのガス循環ラインおよび循環ブロアとを具備する燃料
電池発電プラントにおいて、前記ガス循環ラインが、前記凝縮器のガス入口側配管から分岐され、前記循環ブ
ロアの吸入側に接続される第１のラインと、前記凝縮器のガス出口側配管から分岐され、前記循環ブ
ロアの吸入側に接続される第２のラインと、前記循環ガスの温度を検出する少なくとも１つの温度検
出手段と、プラントの起動過程および停止過程で前記温度検出手段
に基づき、前記第１のラインと第２のラインを流れるガ
ス流量を調節するガス流量調節手段とを有することを特
徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項７】請求項６記載の燃料電池発電プラントに
おいて、前記ガス流量調節手段が、前記循環ブロア吸入側に接続
される第１のラインと第２のラインの合流点に介挿され
る３方弁を備え、その開度が前記循環ガスラインの温度
検出手段に基づいて制御されることを特徴とする燃料電
池発電プラント。
【請求項８】請求項６記載の燃料電池発電プラントに
おいて、前記ガス流量調節手段が、前記第１のラインと第２のラ
インの少なくとも一方に介挿される調節弁もしくはオン
オフ弁を備え、その開度もしくは開閉が前記循環ガスラ
インの温度検出手段に基づいて制御されることを特徴と
する燃料電池発電プラント。
【請求項９】請求項６ないし８のいずれか１項記載の
燃料電池発電プラントにおいて、前記循環ガスラインの温度検出手段は、前記循環ブロア
の入口温度検出器もしくは出口温度検出器であることを
特徴とする燃料電池発電プラント。